Die Verbreitung der Elektromobilität stellt neue Herausforderungen an die Infrastruktur: Stationen zum Aufladen der Fahrzeugbatterien müssen in das vor Ort vorhandene stationäre Stromnetz optimal integriert sein. Notwendig ist ein übergreifendes Ladekonzept für unterschiedliche Fahrzeugtypen. Im Verbundprojekt eMobiGrid entwickeln drei mittelständische Unternehmen, die Universität Bayreuth und das Fraunhofer IISB gemeinsam praxistaugliche Lösungen, um die Verkehrswende zu beschleunigen.
Gleichstrom statt Wechselstrom
Gemeinsam arbeiten die Projektpartner darauf hin, den Nutzungsgrad erneuerbarer Energien für den Mobilitätssektor zu steigern. Weil regenerativen Energiequellen in der Regel als dezentrale Gleichstromquellen hinzukommen, verursacht deren Einbindung in das öffentliche Wechselstromnetz viele Wandlungsschritte. So entstehen unnötige Verluste und das Netz wird zusätzlich anfällig für Störungen. Daher setzen die Partner in eMobiGrid auf lokale Gleichstromnetze, sogenannte DC-Grids. Diese ermöglichen eine verlustarme Kopplung von Batteriespeichern, Photovoltaikanlagen, Windrädern und Wasserstofftechnologien und entlasten Stromnetze, die nur schwach ausgebaut sind. Die lokalen Gleichstromnetze werden ihrerseits mit dem übergeordneten Wechselstromnetz gekoppelt. So entsteht eine übergreifende Energieinfrastruktur, die gleichzeitig die effiziente Integration nachhaltiger Energiequellen unterstützt und den Ausbau der Elektromobilität erleichtert.
Gleichstromnetz und bidirektionales Laden
Ein solches lokales Gleichstromnetz ist bereits Teil des Energiemanagements am Fraunhofer IISB. Es umfasst verschiedene moderne Energiequellen und Speicherkonzepte, unter anderem eine Photovoltaikanlage, Wärme- und Kältespeicher, Batteriespeicher und ein Blockheizkraftwerk. Die Schlüsselkomponente innerhalb des Gleichstromnetzes sind effiziente, zuverlässige und sichere Gleichstromwandler.
Im Projekt eMobiGrid entwickelt jetzt die Gruppe DC-Netze am IISB unter der Leitung von Bernd Wunder einen besonders flexiblen, isolierenden DC/DC-Wandler. Dieser Wandler ist speziell für das bidirektionale Gleichstrom-Laden optimiert: „Der neue DC/DC-Wandler zeichnet sich aus durch einen enorm breiten Spannungsbereich“, erklärt Wunder. Damit sollen neben Pkw auch Nutzfahrzeuge vom Gabelstapler bis zum Lkw ge- und entladen werden können." Erst das bidirektionale Laden ermöglicht es, die Batterien der Elektrofahrzeuge als Zwischenspeicher im Stromnetz zu nutzen. Dadurch puffern sie die Überproduktion erneuerbarer Energien ab. Die bidirektionale Ladetechnik ist daher bei schwankender Energiezufuhr besonders wichtig für die Netzstabilität.
Fortschritte bei der Digitalisierung
Bernd Zeilmann, Geschäftsführer der Firma Richter R&W Steuerungstechnik in Ahorntal und Konsortialführer von eMobiGrid, liegt besonders die Praxistauglichkeit aller zu entwickelnden Lösungen am Herzen: „Wir werden alle unsere Lösungen auf industrietaugliche Ressourcen ausrichten. Das heißt konkret: speicherprogrammierbare Steuerungen statt Tischrechner, Echtzeitbetriebssysteme statt Windows, Smart-Meter-Gateways statt unsicherer Internetkommunikation.“
Dabei ist ein zentraler Aspekt in eMobiGrid die alleinige Verwendung standardisierter und intelligenter Messsysteme, die dem bestehenden Energierecht entsprechen. Prof. Dr.-Ing. Gerhard Fischerauer, der an der Universität Bayreuth den Lehrstuhl für Mess- und Regeltechnik innehat, ergänzt: „Es müssen sowohl gewerbliche Unternehmen, private Fahrzeughalter, aber auch öffentliche Verkehrsbetriebe diese bidirektionale Ladeinfrastruktur nutzen können. Hierfür braucht es wegweisende Konzepte. Im Projekt eMobiGrid können wir jetzt langjährige wissenschaftliche und handwerkliche Kompetenz zusammenbringen.“
Weitere Infos zum Projekt und den Projektpartnern finden Sie hier.
Werden zu viele Elektroautos in einer Straße parallel geladen, kann das zur Überlastung des Stromnetzes führen. Eine am Institut für Elektrische Energietechnik der TH Köln entwickelte Technologie für Wallboxen kann den Zustand des Stromnetzes selbstständig analysieren und Ladezeiten mit umliegenden Boxen koordinieren.
Das von der TH Köln in den USA patentierte und in der EU zum Patent angemeldete Verfahren könnte auch für andere Abnehmer wie Wärmepumpen eingesetzt werden. „Wir haben eine dezentrale Lösung erfunden, um den jetzt anstehenden Schub der Elektrifizierung zu bewältigen: Intelligente Ladestationen, die den Zustand des Stromnetzes in ihrer Umgebung messen, mit anderen Boxen kommunizieren und die Ladevorgänge koordinieren. So entsteht ein ‚Schwarm Netz‘“, erklärt Prof. Dr. Eberhard Waffenschmidt, der die Technik zusammen mit Prof. Dr. Ingo Stadler und wissenschaftliche Mitarbeitern am Institut für Elektrische Energietechnik der TH Köln entwickelt hat.
Verteilte Ladezeiten
Dafür möchten sie eine handelsübliche Ladebox um zwei Komponenten ergänzen: Ein Messgerät, das den Zustand und die aktuelle Belastung des Stromnetzes in der Umgebung ermittelt, und ein Kommunikationsmodul, das über die Stromleitung Informationen an angrenzende Ladeboxen versendet. „Wenn in Zukunft in einer Nachbarschaft mehrere solcher Boxen verbaut sind, bilden diese einen Verbund, der den Zustand des Netzes bis zur nächsten Trafostation ‚kennt‘. Besteht Ladebedarf, wird dieser mittels unseres Algorithmus zwischen den Boxen abgestimmt. Denn für die meisten Nutzer ist es unerheblich, ob etwa das Elektroauto um 20 Uhr oder nachts um 3 Uhr geladen wird. Für das Netz bedeutet ein verteiltes Laden aber eine geringere Belastung“, so Waffenschmidt.
Praxistest geplant
Bislang wurde die Funktionsweise des Systems auf einem Versuchsstand in den Laboren der TH Köln entworfen und erprobt. In einem Folgeprojekt sollen in Kooperation mit einem Netzbetreiber ein Realtest durchgeführt und für die Wallbox seriennahe Funktionsmuster entwickelt werden.
Darüber hinaus ist ein Modul angedacht, das an bestehende Ladestationen angeschlossen werden kann und diesen dann als Add-on die neuen Funktionen ermöglicht. „Wichtig ist uns, dass wir allen Nutzer einen niedrigschwelligen Einstieg ermöglichen. Ob neue Ladebox oder Add-on – die Nutzung einer intelligenten Netzsteuerung soll ohne aufwändige Installation möglich sein“, sagt Waffenschmidt.
Die Verbreitung der Elektromobilität stellt neue Herausforderungen an die Infrastruktur: Stationen zum Aufladen der Fahrzeugbatterien müssen in das vor Ort vorhandene stationäre Stromnetz optimal integriert sein. Notwendig ist ein übergreifendes Ladekonzept für unterschiedliche Fahrzeugtypen. Im Verbundprojekt eMobiGrid entwickeln drei mittelständische Unternehmen, die Universität Bayreuth und das Fraunhofer IISB gemeinsam praxistaugliche Lösungen, um die Verkehrswende zu beschleunigen.
Gleichstrom statt Wechselstrom
Gemeinsam arbeiten die Projektpartner darauf hin, den Nutzungsgrad erneuerbarer Energien für den Mobilitätssektor zu steigern. Weil regenerativen Energiequellen in der Regel als dezentrale Gleichstromquellen hinzukommen, verursacht deren Einbindung in das öffentliche Wechselstromnetz viele Wandlungsschritte. So entstehen unnötige Verluste und das Netz wird zusätzlich anfällig für Störungen. Daher setzen die Partner in eMobiGrid auf lokale Gleichstromnetze, sogenannte DC-Grids. Diese ermöglichen eine verlustarme Kopplung von Batteriespeichern, Photovoltaikanlagen, Windrädern und Wasserstofftechnologien und entlasten Stromnetze, die nur schwach ausgebaut sind. Die lokalen Gleichstromnetze werden ihrerseits mit dem übergeordneten Wechselstromnetz gekoppelt. So entsteht eine übergreifende Energieinfrastruktur, die gleichzeitig die effiziente Integration nachhaltiger Energiequellen unterstützt und den Ausbau der Elektromobilität erleichtert.
Gleichstromnetz und bidirektionales Laden
Ein solches lokales Gleichstromnetz ist bereits Teil des Energiemanagements am Fraunhofer IISB. Es umfasst verschiedene moderne Energiequellen und Speicherkonzepte, unter anderem eine Photovoltaikanlage, Wärme- und Kältespeicher, Batteriespeicher und ein Blockheizkraftwerk. Die Schlüsselkomponente innerhalb des Gleichstromnetzes sind effiziente, zuverlässige und sichere Gleichstromwandler.
Im Projekt eMobiGrid entwickelt jetzt die Gruppe DC-Netze am IISB unter der Leitung von Bernd Wunder einen besonders flexiblen, isolierenden DC/DC-Wandler. Dieser Wandler ist speziell für das bidirektionale Gleichstrom-Laden optimiert: „Der neue DC/DC-Wandler zeichnet sich aus durch einen enorm breiten Spannungsbereich“, erklärt Wunder. Damit sollen neben Pkw auch Nutzfahrzeuge vom Gabelstapler bis zum Lkw ge- und entladen werden können." Erst das bidirektionale Laden ermöglicht es, die Batterien der Elektrofahrzeuge als Zwischenspeicher im Stromnetz zu nutzen. Dadurch puffern sie die Überproduktion erneuerbarer Energien ab. Die bidirektionale Ladetechnik ist daher bei schwankender Energiezufuhr besonders wichtig für die Netzstabilität.
Fortschritte bei der Digitalisierung
Bernd Zeilmann, Geschäftsführer der Firma Richter R&W Steuerungstechnik in Ahorntal und Konsortialführer von eMobiGrid, liegt besonders die Praxistauglichkeit aller zu entwickelnden Lösungen am Herzen: „Wir werden alle unsere Lösungen auf industrietaugliche Ressourcen ausrichten. Das heißt konkret: speicherprogrammierbare Steuerungen statt Tischrechner, Echtzeitbetriebssysteme statt Windows, Smart-Meter-Gateways statt unsicherer Internetkommunikation.“
Dabei ist ein zentraler Aspekt in eMobiGrid die alleinige Verwendung standardisierter und intelligenter Messsysteme, die dem bestehenden Energierecht entsprechen. Prof. Dr.-Ing. Gerhard Fischerauer, der an der Universität Bayreuth den Lehrstuhl für Mess- und Regeltechnik innehat, ergänzt: „Es müssen sowohl gewerbliche Unternehmen, private Fahrzeughalter, aber auch öffentliche Verkehrsbetriebe diese bidirektionale Ladeinfrastruktur nutzen können. Hierfür braucht es wegweisende Konzepte. Im Projekt eMobiGrid können wir jetzt langjährige wissenschaftliche und handwerkliche Kompetenz zusammenbringen.“
Weitere Infos zum Projekt und den Projektpartnern finden Sie hier.
Werden zu viele Elektroautos in einer Straße parallel geladen, kann das zur Überlastung des Stromnetzes führen. Eine am Institut für Elektrische Energietechnik der TH Köln entwickelte Technologie für Wallboxen kann den Zustand des Stromnetzes selbstständig analysieren und Ladezeiten mit umliegenden Boxen koordinieren.
Das von der TH Köln in den USA patentierte und in der EU zum Patent angemeldete Verfahren könnte auch für andere Abnehmer wie Wärmepumpen eingesetzt werden. „Wir haben eine dezentrale Lösung erfunden, um den jetzt anstehenden Schub der Elektrifizierung zu bewältigen: Intelligente Ladestationen, die den Zustand des Stromnetzes in ihrer Umgebung messen, mit anderen Boxen kommunizieren und die Ladevorgänge koordinieren. So entsteht ein ‚Schwarm Netz‘“, erklärt Prof. Dr. Eberhard Waffenschmidt, der die Technik zusammen mit Prof. Dr. Ingo Stadler und wissenschaftliche Mitarbeitern am Institut für Elektrische Energietechnik der TH Köln entwickelt hat.
Verteilte Ladezeiten
Dafür möchten sie eine handelsübliche Ladebox um zwei Komponenten ergänzen: Ein Messgerät, das den Zustand und die aktuelle Belastung des Stromnetzes in der Umgebung ermittelt, und ein Kommunikationsmodul, das über die Stromleitung Informationen an angrenzende Ladeboxen versendet. „Wenn in Zukunft in einer Nachbarschaft mehrere solcher Boxen verbaut sind, bilden diese einen Verbund, der den Zustand des Netzes bis zur nächsten Trafostation ‚kennt‘. Besteht Ladebedarf, wird dieser mittels unseres Algorithmus zwischen den Boxen abgestimmt. Denn für die meisten Nutzer ist es unerheblich, ob etwa das Elektroauto um 20 Uhr oder nachts um 3 Uhr geladen wird. Für das Netz bedeutet ein verteiltes Laden aber eine geringere Belastung“, so Waffenschmidt.
Praxistest geplant
Bislang wurde die Funktionsweise des Systems auf einem Versuchsstand in den Laboren der TH Köln entworfen und erprobt. In einem Folgeprojekt sollen in Kooperation mit einem Netzbetreiber ein Realtest durchgeführt und für die Wallbox seriennahe Funktionsmuster entwickelt werden.
Darüber hinaus ist ein Modul angedacht, das an bestehende Ladestationen angeschlossen werden kann und diesen dann als Add-on die neuen Funktionen ermöglicht. „Wichtig ist uns, dass wir allen Nutzer einen niedrigschwelligen Einstieg ermöglichen. Ob neue Ladebox oder Add-on – die Nutzung einer intelligenten Netzsteuerung soll ohne aufwändige Installation möglich sein“, sagt Waffenschmidt.
